Комбинированные рентгеновские исследования и суперкомпьютерное моделирование отслеживают рост космических черных дыр на протяжении 12 миллиардов лет.

Объединив передовые рентгеновские наблюдения с современным суперкомпьютерным моделированием формирования галактик в космической истории, исследователи создали наилучшую на сегодняшний день симуляцию роста сверхмассивных черных дыр, находящихся в центрах галактик. Используя этот гибридный подход, исследовательская группа под руководством астрономов из Пенсильванского университета получила полную картину роста черных дыр за 12 миллиардов лет, от рождения Вселенной (около 1,8 миллиарда лет) до сегодняшнего дня, 13,8 миллиарда лет.

Исследование включает в себя две работы: одна опубликована в Astrophysical Journal, а другая, неопубликованная, будет представлена в тот же журнал. Результаты будут представлены на 244-м заседании Американского астрономического общества, которое пройдет 9-13 июня в конференц-центре Monona Terrace в Мэдисоне, штат Висконсин.

«Сверхмассивные черные дыры в центрах галактик имеют массу, в миллионы и миллиарды раз превышающую массу Солнца», — говорит Фань Цзоу, аспирант Пенсильванского университета и первый автор статьи. «Как они становятся такими монстрами? Этот вопрос астрономы изучают уже несколько десятилетий, но трудно отследить все способы достоверного роста черных дыр».

Сверхмассивные черные дыры растут по двум основным каналам. Они поглощают холодный газ из родительской галактики (этот процесс называется аккрецией) и могут сливаться с другими сверхмассивными черными дырами при столкновении галактик.

«Черные дыры испускают сильное рентгеновское излучение, когда поглощают газ из галактик-хозяев, и это ключ к отслеживанию их роста за счет аккреции», — говорит В. Нил Брандт, профессор астрономии и астрофизики семьи Эберли и профессор физики Пенсильванского университета и руководитель исследовательской группы. «Мы измерили рост, вызванный аккрецией, используя данные рентгеновского обзора неба, накопленные за более чем 20 лет с помощью трех самых мощных рентгеновских установок, когда-либо запущенных в космос».

Исследовательская группа использовала дополнительные данные рентгеновской обсерватории НАСА «Чандра», рентгеновского многозеркального аппарата Европейского космического агентства «Ньютон» (XMM-Newton) и телескопа eROSITA Института внеземной физики Макса Планка. В общей сложности они измерили рост, вызванный аккрецией, в выборке из 1,3 миллиона галактик, содержащих более 8000 быстрорастущих черных дыр.

«Все галактики и черные дыры в нашей выборке очень хорошо охарактеризованы на разных длинах волн, с отличными измерениями в инфракрасном, оптическом, ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах», — сказал Цзоу. «Это позволяет нам делать надежные выводы, и данные показывают, что во все космические эпохи более массивные галактики быстрее увеличивали свои черные дыры за счет аккреции. Благодаря качеству данных мы смогли количественно оценить это важное явление гораздо лучше, чем в предыдущих работах…»

Второй способ роста сверхмассивных черных дыр — это слияние, когда две сверхмассивные черные дыры сталкиваются и сливаются вместе, образуя одну, еще более массивную черную дыру. Чтобы проследить рост галактик за счет слияний, команда использовала IllustrisTNG — набор суперкомпьютерных моделей, которые моделируют формирование, эволюцию и слияние галактик вскоре после Большого взрыва и вплоть до настоящего времени.

«В нашем гибридном подходе мы объединяем наблюдаемый рост, обусловленный аккрецией, с моделируемым ростом, обусловленным слияниями, чтобы воспроизвести историю роста сверхмассивных черных дыр», — говорит Брандт. «Мы считаем, что с помощью этого нового подхода мы создали наиболее реалистичную картину роста сверхмассивных черных дыр на сегодняшний день».

Исследователи обнаружили, что в большинстве случаев аккреция доминирует в росте черных дыр. Аккреция вносила заметный вторичный вклад, особенно в последние 5 миллиардов лет космического времени, для самых массивных черных дыр. В целом, когда Вселенная была моложе, сверхмассивные черные дыры всех масс росли гораздо быстрее. Из-за этого общее число сверхмассивных черных дыр было почти исчерпано уже 7 миллиардов лет назад, в то время как многие новые продолжали появляться в более ранние периоды существования Вселенной.

«С помощью нашего подхода мы можем проследить, как центральные черные дыры в локальной Вселенной, вероятно, росли в течение космического времени», — говорит Цзоу. «В качестве примера мы рассмотрели рост сверхмассивной черной дыры в центре нашей галактики Млечный Путь, масса которой составляет 4 миллиона солнечных масс. Наши результаты показывают, что черная дыра в нашей галактике, скорее всего, выросла относительно поздно в космическом времени». »

Помимо Цзоу и Брандта, в исследовательскую группу вошли аспирант Пенсильванского университета Жибо Ю, доцент кафедры статистики, астрономии и астрофизики Пенсильванского университета Хен Сук Так, Елена Галло из Мичиганского университета; Бин Луо из Нанкинского университета в Китае; Цинлинг Ни из Института внеземной физики Макса Планка в Германии; Юнцюань Сюэ из Университета науки и технологий Китая; и Гуан Ян из Гронингенского университета в Нидерландах.